東北用材林精細化經營軟件系統的研制

馬繼東，李淑紅*，朱玉杰，王景峰，潘睿

(1.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱學院 工學院，哈爾濱 150086)

東北用材林精細化經營軟件系統的研制

馬繼東1，李淑紅1*，朱玉杰1，王景峰1，潘睿2

(1.東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040；2.哈爾濱學院 工學院，哈爾濱 150086)

以東北用材林為研究對象，在構建林木三維圖形可視化基礎上，研制用材林精細化經營系統軟件。該系統主要應用OpenGL開放式圖形庫技術和數據庫技術，采用Visual Basic語言建立；該系統基于林木的實測數據和主要樹種的生長規律，結合林木的生長模型和形態結構，構建林木的三維可視化模型；該系統在樹木和枝條的ER模型基礎上，建立了樹木和枝條的一對多access數據庫，將林木的胸徑、樹高、枝條等信息存儲起來，并采用ADO技術對數據庫進行讀寫，便于程序操作；該系統在林木可視化基礎上，可以施用不同強度的撫育間伐、不同比例的修枝等措施，分析對林木生長的影響，可以得到最優的經營方案；該系統應用了OpenGL中的選擇和反饋機制，支持交互式操作。通過研究，該系統可以用于林業的生產作業中，可以解決實際的經營問題。

東北用材林；精細化經營；生長模型；OpenGL；軟件設計

0 引言

森林經營可視化模擬結合計算機可視化技術與森林經營技術，是在模擬林木實地環境基礎上，對各種經營措施分別進行仿真研究，是近年來林業科學研究的一個重點方向[1]。

相比于虛擬植物在農業上的應用，林木的三維模擬還很少，由于樹木結構自身的復雜特點及其與環境交互的影響，林木的可視化研究依然是業界的研究難點[2]。圍繞著這一領域，國內外多集中于林木的生長規律的建模，對其三維可視化的研究還不多，僅有如郝小琴[3]、魏瓊[4]等的研究，且多屬于計算機圖形學領域；結合林木生長規律的可視化系統，雷相東[5]、劉兆剛[6]、舒娛琴[7]、常敏[8]等人均做過相應的研究。

本研究基于林木的實測數據，在模擬用材林三維靜態模型基礎上，結合用材林的生長模型及林分動態規律，模擬單木的動態生長過程，同時施用常用的營林措施并分析其對林木的影響。

1 系統開發環境

本系統是在AMD Athlon(tm)II X2 250(3.01GHz)，內存2G，AMD Radeon HD 4350顯卡，500G硬盤的臺式電腦上開發調試的。

系統的軟件環境是在Window XP(2002 SP3)操作系統下，采用Visual Basic 6.0編程語言編制而成。Visual Basic是基于Basic的可視化的程序設計語言，其編程系統采用面向對象、事件驅動的編程機制，將編程的復雜性封裝起來，提供了一種所見即所得的可視化的程序設計方法，簡單易用[9]。

2 系統關鍵技術

可視化系統的開發一般涉及圖形建模、場景坐標變換、紋理映射等基本過程，由于這些過程的計算比較復雜，使得基于三維圖形的程序開發難度較大，為簡化程序的編制，從業人員多采用OpenGL即開放式圖形庫，來進行相應的工作。

2.1 OpenGL技術

OpenGL由Silicon Graphics開發，是計算機工業標準應用程序接口，主要用于定義2D/3D圖形。在Visual Basic中應用OpenGL進行三維模型的設計操作大多通過第三方函數庫VBOpenGL type library(Vbogl.tlb)來進行，它可省去大量的底層編程工作，在一般應用的程序設計中起到事半功倍的結果[10]。

2.2 數據庫技術

本系統中數據庫的使用主要體現在兩個方面，一是建立樹木和枝條的一對多ER關系模型，在此基礎上建立access數據庫，程序編制中使用ADO(Active Data Object)技術進行數據的檢索，二是提供了圖形化的對樹木信息的瀏覽和編輯功能，主要使用了數據環境(Data Environment)和DataGrid構件。

2.2.1 ER模型

本系統建立了樹木和枝條兩個實體，一棵樹木可以有多條枝條，每一枝條至多對應一棵樹木，故二者的聯系為一對多聯系。樹木的屬性有樹木編號、生長位置、胸徑、樹高、區域等，枝條的屬性有枝條樹木編號、枝高度、枝基徑、枝長度、枝朝向、著枝角度等，兩個實體的主碼都是樹木編號，系統建立的ER模型如圖1所示。

圖1 系統的ER模型Fig.1 ER model

將ER模型轉換成關系模型，即將ER圖的實體按規則轉換為關系數據庫中的各個表。圖1中，分別轉換成樹木和枝條的數據表，其表結構如下所示。

樹木(樹木編號、位置X、位置Y、胸徑、樹高、區域)

枝條(樹木編號、枝高度、枝基徑、枝長度、枝朝向、著枝角度)

根據關系規范理論，將上述的兩個表進行規范化的設計，其主要目的是減少數據存儲的冗余。規范化設計要求數據庫數據結構必須滿足范式，至少應滿足第三層規范化形式，即：非關鍵字段完全依賴于主關鍵字，但不傳遞依賴于主關鍵字，上述的兩個表均滿足第三范式。

2.2.2 ADO技術和數據庫控件

ADO(Active Data Object)，是Microsoft公司未來的數據訪問策略，它逐步替代DAO和RDO而成為主要的數據訪問接口。ADO 最主要的優點是易于使用、速度快、內存支出少和磁盤遺跡小[11]，本系統中使用ADO技術進行數據庫的讀取。

為精簡程序，本系統使用了DataEnvironment和DataGrid等構件。在設計時，使用數據環境設計器創建一個 DataEnvironment 對象。DataEnvironment 對象包括 Connection對象、Command 對象、層次結構(Command 對象之間的關系)、分組和合計。在訪問數據環境設計器之前，必須在 Visual Basic 中引用它。再從“工程”菜單中，選擇“添加 Data Environment”。

2.3 系統關鍵過程

(1)樹木信息的存取。依據系統設計的樹木與枝條一對多聯系的數據庫，使用ADO技術，讀取數據并賦值給數組變量。在靜態模擬時，不用改變數組的值；動態模擬時，利用定時器按樹木生長規律修改數組的值后再調用這個數組，以達到動態生長的效果。本系統設計了Trees和Twigs子過程進行相應的操作。

(2)樹木的繪制。DrawTree子過程，傳遞的參數分別為樹木的X位置、Y位置、樹木編號、胸徑和樹高。在該過程中，樹木的樹高、胸徑、枝高度、枝基徑、枝長度等隨著時間變化的量，保持在相應的數組或變量中，在定時器模擬樹木生長時，調用相應的值即可。在該過程中，主要使用繪制圓柱體的命令gluCylinder來繪制樹干，同時在此過程中，調用了畫枝的子過程。為加快顯示速度，使用了列表技術。

(3)枝條的繪制。DrawBranch子過程，傳遞的參數分別為枝深度、枝基徑、枝長、朝向角、著枝角度。在該過程中，主要使用繪制圓柱體的命令gluCylinder來繪制樹枝，用3段或2段相連在一起的圓柱體來體現枝的彎曲，為加快顯示速度，使用了列表技術。

2.4 軟件的主要功能

(1)地面的顯示和定義。系統內設右手坐標系，原點位于屏幕中心，X軸水平向右，Y軸垂直于X軸，Z軸垂直向上。在地面上繪制10 m×10 m的網格，以顯示大地，如圖2所示。

(2)數據存儲功能。利用Access建立樹木基本信息和樹枝信息的數據庫，存儲樹木的信息。其數據庫結構分別為：樹木信息(樹木編號、位置X、位置Y、胸徑、樹高)，樹枝信息(樹木編號、枝高度、枝基徑、枝長度、枝朝向、枝著枝角度)，這兩個表為一對多關系，該表內容可以動態進行讀寫，如圖3所示。

(3)樹木圖形化顯示。主要利用OpenGL技術進行樹木的繪制，按讀取的樹木位置信息，平移坐標系、按給定的胸徑和樹高等信息，用圓柱體來繪制樹干，再通過坐標變換，按枝的信息將樹枝繪制出來，如圖3所示。

圖2 地面Fig.2 Ground

(4)生長參數的設定和模擬。按落葉松的生長模型及其不同經營措施下的生長規律，分別設置不同經營期限，不同經營措施下(撫育強度，修枝比例)下的生長參數。按落葉松不同時期內的生長規律，實時將樹木的生長過程再現出來，為了加快顯示速度，利用OpenGL中的顯示列表技術。如圖4所示。

(5)經營措施的效果模擬。可以施用不同的經營措施，在生長模擬的過程中，將經營措施的效果再現出來，利用落葉松的枯損模型可以確定撫育對象。此頁中可以設置不同的撫育強度(按株數)和修枝比例(點樹冠的比例)，0%表示不進行相應的作業，如圖5所示。

圖4 樹木長生長10后的狀態Fig.4 The state of tree after 10 years of growth

圖5 經營措施的施用Fig.5 Application of management measures

3 結論

通過本項目的研究，將林學專業知識與計算機圖形學技術結合起來，建立了三維可視化的輔助經營系統，它除了可以模擬樹木生長外，也可施用經營措施，并分析各種經營方案的效果，可以很好地預測樹木未來的生長狀況，本系統為簡單起見，并沒有考慮林木之間的競爭，也沒有考慮自然稀疏規律的影響。通過本項目的研究可以得出以下幾點結論：

(1)樹木的生長模型精確到一級枝的水平就可以滿足生產經營分析的需要。

(2)Visual Basic 和OpenGL技術結合，方便適用，可以很好地為科研者解決實際的問題。

(3)采用ADO技術，通過數組來驅動樹木的動態顯示，便于程序的調試。

目前，基于樹木生長模型的三維可視化模擬在處于研究初期，許多問題還有待進一步研究，比如樹木全壽命周期的生長規律問題等，這些問題的解決能促進數字林業的進一步發展。

[1] 劉海，張懷清，林輝.森林經營可視化模擬研究[J].世界林業研究，2010，23(1)：21-27.

[2] 湯孟平.森林空間經營理論與實踐[M].北京：中國林業出版社，2007.

[3] 郝小琴.森林景物的三維迭代函數系統建模技術的研究[J].計算機學報，1999，22(7)：768-773.

[4] 魏瓊，蔣湘寧.基于D0L系統的樹木三維可視化模型研究[J].北京林業大學學報，2003，25(3)：64-67.

[5] 雷相東，常敏，陸元昌，等.長白落葉松單木生長可視化系統設計與實現[J].計算機工程與應用，2006，(17)：180-183.

[6] 劉兆剛.樟子松人工林樹冠動態三維圖形模擬技術的研究[D].哈爾濱：東北林業大學，2007.

[7] 舒娛琴.虛擬森林經營管理系統的設計與實現[J].林業科學，2007，43(10)：138-144.

[8] 常敏.基于實測數據和經驗模型的單木可視化研究[D].北京：北京林業大學，2005.

[9] 劉瑞新，崔淼.Visual Basic 程序設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[10] 馬繼東，王立海.原條量材設計中基于OpenGL的交互技術的使用[J].森林工程，2007，23(6)：31-33.

[11] 馬繼東，李淑紅，朱玉杰.原條量材設計中數據庫技術的應用[J].森林工程，2004，20(1)：18-19.

SimulationofDelicacyManagementSoftwareforNortheastTimberForest

Ma Jidong1，Li Shuhong1*，Zhu Yujie1，Wang Jingfeng1，Pan Rui2

(1.College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040； 2.School of Technology，Harbin University，Harbin 150086)

Taking the Northeast timber forest as studying object，delicacy management software is developed on the basis of the visualization of 3D forest timbers.OpenGL，database technology and Visual Basic were used to establish the system.Based on the measured data of trees and the growth rules of main tree species，combined with the growth model and morphological structure of trees，the three-dimensional visualization model of timbers was constructed.According to the ER model of trees and branches，a one-to-many access database was established，which could store the DBH，tree height，branches and other information.ADO technology was used to read and write the database，which was easy to operate the program.On the basis of visualization，we can use different intensity tending thinning，different proportion of pruning and other measures to analyze the impact on the growth of trees，and to get the best plan.Selection and feedback mechanism in OpenGL were used to support interactive operation.This system could be used in forestry production operations and could solve the actual operational problems.

Northeast timber forest；delicacy management；growth model；OpenGL；software design

S 792

：A

：1001-005X(2017)05-0067-05

2017-03-22

黑龍江省留學歸國科學基金項目(LC2011C39)；黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12513031)；林業公益性行業科研專項經費項目(201204059)

馬繼東，博士，副教授。研究方向：系統仿真與優化、工業工程。

李淑紅，碩士，副教授。研究方向：項目管理、工程造價。E-mail：Alanna_nefu@163.com

馬繼東，李淑紅，朱玉杰，等.東北用材林精細化經營軟件系統的研制[J].森林工程，2017，33(5)：67-71.